RISC—V助力國產芯片加速崛起
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2019年7月，阿里巴巴旗下半導體公司“平頭哥”正式發布玄鐵910，并宣稱是“業內最強RISC-V處理器之一”，號稱性能可比肩Arm v8架構Cortex A7X系列，并且在今年3月， David Patterson在阿里平頭哥玄鐵RISC-V生態大會上也大膽預言：“3到5年后，RISC-V將無處不在！。但在過去，RISC-V的普及度較低，在中國的知名度就更低了，更多流行的是x86架構和ARM架構，所以人們不禁發出疑問，什么是RISC-V？它與x86和ARM的區別是什么？
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CPU需要調用對應的指令來使用不同功能電路。而用來規定指令格式的東西就叫做指令集架構，不同的架構對同一功能的實現思路不同，按照指令集架構的分類，可分為復雜指令集（CISC）及精簡指令集（RISC）。
復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）：每個指令可執行若干低端操作，例如存儲器讀取、存儲、計算操作等，指令數目多且復雜，每條指令字長不相等。這些特性使得代碼編寫較為簡單，但是復雜的指令需要若干指令周期才可以實現。
精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）：對指令數目與尋址方式都做了精簡，只保留經常使用的指令，因此實現更加容易，指令并行程度較好，編譯器效率較高。但是對于一些特殊操作，需要通過處理器額外的執行時間來彌補。其特征包括統一指令編碼、泛用的寄存器，單純的尋址模式等，每條指令的執行時間較短。
CISC盡可能將任務一次性做完，高效但費腦（性能高、功耗大），RISC則是將任務拆解，分次做完，雖然對個人能力要求不高（性能低、功耗小），所以效率更低。
全球前三大指令集架構
全球前三大指令集架構，一個是由英特爾為首的x86架構，其應用于絕大部分PC和服務器；而英國公司Arm的Arm架構則用于全球99%以上的智能手機。對比前兩位“大哥”，RISC-V可以說是妥妥的“小弟”，雖說三者并成為“全球前三“指令集，但RISC-V與x86和ARM的市場份額差距實在太大了，甚至可以說難以望其項背。
這三種架構，分別代表了三種經營模式：
x86架構由英特爾和AMD死死把控，其它公司想用？沒門！；
Arm架構雖然由Arm公司所有，但授權開放，需要花錢購買其IP；
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RISC-V的優勢就在于具有指令精簡、模塊化、可擴展、開源、免費等優點，其不屬于任何機構或國家，開源免費，運營成本由基金會的會員出資，可創造出具有完全自主知識產權的IP核或芯片，相對于目前主流的英特爾X86架構及Arm等架構，RISC-V的基礎指令集只有40多條，加上其他基本的模塊化擴展指令總共幾十條指令，非常簡單。
RISC-V基金會當時將總部從美國遷至瑞士，瑞士是中立國，遷址原因是“擔心可能出現的地緣政治破壞”，其免費開源的特點，意味著沒有人可以以“國家安全”為托詞，限制他人使用RISC-V。
RISC-V國際基金會CEO：RISC-V不受任何單一企業或國家的控制
在RISC-V成立之初，基金會的中方成員只有阿里巴巴、華為和中科院計算所，到了2022年中，基金會19個高級會員里，中國大陸芯片企業占據12個席位。到了如今，隨著美國持續將芯片技術作為限制他國發展的“武器”的大背景之下，越來越多國家和廠商開始越來越重視芯片的自主權，這也推動了RISC-V生態加速發展，目前已經呈現出與X86和Arm三足鼎立之勢，RISC-V技術成為中美技術戰爭新戰場，中美科技戰新戰場！RISC-V開源芯片技術成焦點。
X86指令集及ARM架構
X86架構 (The X86 architecture) 是微處理器執行的計算機語言指令集，指一個Intel通用計算機系列的標準編號縮寫，也標識一套通用的計算機指令集合。
1978年Intel推出了8086處理器（16位微處理器），1985年Intel推出了80386（32位處理器）。由于Intel早期處理器名稱是以數字來表示80x86，因此這些架構稱之為x86。
X86架構圖
一些公司一直采用X86架構研發產品，例如巨頭英特爾，超微 (AMD)、威盛等企業。其中x86架構中英特爾和AMD是霸主地位。
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國產 CPU 廠商得到了相應指令集的架構授權，發展成為6大主流廠商: 龍芯、飛騰、鰓鵬、海光、電威、兆芯
目前國內做的比較好的企業兆芯，早期，購買了大量原屬于VIA的中央處理器等，花費了大量的知識費用，并獲得了X86指令集授權，可以生產X86芯片后續自主研發X86處理器，并于后期開發出兆芯開先KX-6640MA處理器。
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x86架構設計目標是提供強大的計算能力和廣泛的指令集，以應對各種復雜的應用場景，在PC及服務器端擁有天然的性能優勢。
ARM架構由ARM公司設計并廣泛應用于移動設備、嵌入式系統和其他低功耗設備。曾稱進階精簡指令集機器 (AdvancedRISC Machine) 更早稱作Acorn RISC Machine，是一個32位精簡指令集 (RISC) 處理器架構。還有基于ARM設計的派生產品，重要產品包括Marvell的XScale架構和德州儀器（TI）的OMAP系列。ARM家族占比所有32位嵌入式處理器的75%，成為占全世界最多數的32位架構。ARM架構的主要優勢是低功耗、高效率和易于實現，使其成為許多移動端設備的理想選擇。近年來大舉進入桌面和服務器領域。
ARM作為簡單指令集，具有低功耗的優勢，廣泛應用于移動設備領域。在當前國內市場中，許多廠商只擁有ARMv8指令集，并沒有ARM的新架構和IP核，這導致它們在性能上與使用新架構和IP核的國外廠商存在差距。
RISC-V架構
當需要同時兼顧數據傳輸速度與傳輸量時，x86與ARM的處理能力有限。RISC-V則表現出了較強的優勢，它幾乎適應所有實現技術，包括FPGA、 專用集成電路（ASIC）、 全定制芯片，甚至未來的設備技術。
2010年，加州大學伯克利分校的研究團隊設計并推出了一套基于BSD協議許可的免費開放的指令集架構RISC-V，其原型芯片也于2013年1月成功流片。RISC-V的最大特點就是簡單，雖然與ARM都是精簡指令集架構，但RISC-V的架構更加短小精悍，它要能適應包括從最袖珍的嵌入式控制器，到最快的高性能計算機等各種規模的處理器。
RISC-V的優勢在于模塊化與指令的數目少，計算機體系結構的傳統方法是增量ISA，新處理器不僅必須實現新的ISA擴展，還必須實現過去的所有擴展。RISC-V使用模塊化的ISA，其將不同的部分以模塊化的方式組織在一起，并通過一套統一的架構來滿足各種不同的應用場景，這種模塊化是x86與ARM架構不具備的。且RISC-V架構基本的指令數目僅有40多條，加上其他的模塊化擴展指令也總共只有幾十條指令。
所謂模塊化ISA，RISC-V的核心是一個名為RV32I的基礎ISA，運行一個完整的軟件棧。RV32I是固定的，永遠不會改變。這為編譯器編寫者，操作系統開發人員和匯編語言程序員提供了穩定的目標。RISC-V還提供一些其他的標準擴展指令集，根據應用程序的需要，硬件可以可選的包含這些擴展。RISC-V編譯器得知當前硬件包含哪些擴展后，便可以生成當前硬件條件下的最佳代碼。
很多情況下，處理器的性能都成為架構師關注的指標，根據數據及推算，程序的執行時間取決于程序在該指令集編譯出的指令數量、平均每條指令的時鐘周期數及處理器的時鐘周期時長，RISC-V架構處理器在這三個因素中的每一個都獲得了近10%的優勢，它們加起來導致了近30%的性能優勢。在傳統PC與服務器領域，x86適合處理大量數據，因此處于霸主地位。而在手機帶來的科技革命趨勢下，需要快速處理數據，ARM架構在手機處理器IP領域一統江湖。但隨著物聯網時代的來臨，RISC-V作為新興架構，以其精簡的體量，或許在未來的IoT領域中能取得絕對的優勢。但RISC-V的應用范圍目前主要局限在嵌入式領域，不太適合高性能場景。要替代ARM和x86，還需要面對許多挑戰。并且RISC-V生態系統相對割裂。要形成統一的標準生態系統，依然面臨許多困難。
盡管如此，目前國內外已有多家芯片企業投入大量資金研發RISC-V領域的應用。目前應用最廣泛的當屬IoT的安全問題、手機市場、服務器市場及存儲市場。未來的物聯網大概會有300億個設備互聯互通，所以物聯網安全就成為了必須關注的問題。而RISC-V的開源特性允許廣泛的受眾檢查其體系結構，并在它們成為大范圍的安全事件之前糾正它們。RISC-V可以通過提供“修復”核心而無需實際更改核心的機會來影響我們現有的網絡犯罪流行。并根據預測，大約兩年之后RISC-V就會進軍手機市場，與高通、蘋果、三星、聯發科等ARM公司搶智能手機處理器市場，同時有可能威脅低功耗筆記本處理器。雖然目前RISC-V的高性能市場一片空白，但RISC-V本身用來設計高性能芯片是沒有問題的，學術界已經有基于RISC-V架構的511核處理器（Celerity）。只是基于RISC-V的低門檻特點，進入的企業體量較為小巧，沒有足夠的資金做長期布局與研發。但根據預測，5年后RISC-V指令的處理器就有可能進軍服務器市場，與AMD、英特爾這樣的x86處理器公司抗衡。
文章：
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根據RISC-V國際基金會數據，2022年會員數量同比增長超過 26%，累計在 70 個國家/地區擁有超過 3180 名會員單位，包括高通、英特爾、谷歌、阿里平頭哥、華為、紫光展銳等眾多頭部芯片企業。截至2022年底，全球有數萬名工程師致力于 RISC-V 計劃，基于RISC-V架構的處理器出貨量已超過了100億顆，RISC-V用12年時間走完了傳統指令集30年的發展歷程。
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在中國，目前的形勢是多種國產CPU架構并存，在未來可能會造成資源分散、低水平重復，這種狀況不加以改進，我國將缺乏在全球市場上與X86和ARM兩家競爭的自主CPU架構，從而在主流CPU方面仍然可能受制于人。因此有專家指出：“新型的開源精簡指令的架構“RISC-V”架構，為我國掌握芯片產業發展主動權提供了機遇”。可以說也是一種彎道超車的機會。
當前國內外已經有非常多的RISC-V核心RTL代碼，很多是開源的。比如，Rocket Core、Boom Core、LowRISC SoC等均提供源代碼。如果用于商用，國內外也有許多商業公司提供穩定的RISC-V IP核心。例如國外的SiFive公司、Microsemi公司、國內的阿里平頭哥、芯來科技及兆易創新等。2019年8月22日，兆易創新正式發布了全球首個基于RISC-V開源架構內核的32位通用MCU產品---GD32VF103系列。兆易創新是首次將RISC-V引入通用微控制器領域，并提供了從芯片到程序代碼庫、開發套件、設計方案等完整工具鏈支持并持續打造RISC-V開發生態。
兆易創新發布GD32V系列RISC-V內核32位通用MCU新品
在今年9月1-3日召開的泰達論壇上，中國工程院院士倪光南也對自己觀點進行了闡述：我國抓住新一代信息技術發展機遇，面向未來主流CPU市場，聚焦開源RISC-V架構發展中國芯片產業，通過充分發揮我國舉國體制和超大規模市場優勢和人才優勢，大力發展壯大RISC-V產業生態，增強RISC-V產業鏈、供應鏈的自主可控能力，加大對RISC-V開源社區的貢獻，最終使世界主流CPU市場形成X86、ARM和RISC-V三分天下的格局。
反觀目前形勢，我國發展RISC-V具有獨特優勢。首先是符合國家科技自立自強發展戰略，又推動全球科技創新。歷史上一直是X86和ARM兩種架構壟斷CPU市場的紅利，整個芯片產業一直處于高壟斷態勢，開源RISC-V的出現打破了壟斷，為全球芯片產業發展提供強大的推動力，相關生態環境也正在迅速發展完善。第二，中國超大規模市場是培育未來新一代信息技術的沃土。此外，中國是世界最大工程師培育搖籃，人才優勢為技術發展創新提供了必要條件。
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今天我們面臨百年未有之大變局。中國在發展CPU產業時，要注重未來主流CPU的發展趨勢。我們期待能有更多企業聚焦開源RISC-V架構，大力推進RISC-V生態建設，最終使RISC-V架構能夠在世界CPU市場與X86和ARM三足鼎立。
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